Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №16

Организация и управление процессом обеспечения безопасности легковых автомобилей.

Автор:

Чекалин Николай

ученик 10 класса

МАОУ СОШ №16

Руководитель проекта:

Веретенникова И. В.

учитель физики

ГО Карпинск
2021 год

Оглавление

Введение.

В Российской Федерации в последнее десятилетие предпринимаются активные действия по повышению уровня организации и безопасности дорожного движения. Решение проблемы обеспечения безопасности на дорогах России Президент Российской Федерации В.В. Путин в своем Послании Федеральному Собранию Российской Федерации назвал одной из актуальных задач развития страны. Согласно статистике, порядка 80–85% всех дорожно-транспортных происшествий приходятся на долю автомобилей. Поэтому автопроизводители уделяют огромное внимание безопасности – ведь от безопасности отдельно взятого автомобиля напрямую зависит и общая безопасность движения на дорогах. Данная проблема обусловлена непрерывным ростом мобильности населения. В результате ежегодного роста количества автотранспортных средств, значительного повышения объемов перевозок грузов и пассажиров резко возросла интенсивность движения на автомобильных дорогах, неизбежно приводящая к увеличению числа дорожно-транспортных происшествий. Ежегодно в Российской Федерации в результате дорожно-транспортных происшествий погибают почти 30 тысяч человек и получают ранения более 250 тыс. человек. На дорогах за последние семь лет погибло 7900 детей в возрасте до 16 лет, более 160 тыс. детей травмированы. Почти треть погибших в ДТП составляют самые уязвимые участники дорожного движения – пешеходы. А мы с вами  каждый день, отправляясь на учёбу или работу, мы являемся участниками дорожного движения. И здесь на помощь приходит физика, а точнее - знание её основных законов. Например, при изучении законов механики на уроках мы решаем задачи на расчёт тормозного пути автомобиля; мы знаем физический смысл скорости; мы делаем вывод о зависимости силы трения от материала трущихся поверхностей; мы применяем закон сохранения энергии к решению задач на движение под действием силы трения.

Целью моей работы: изучить физические явления и законы, которые используют в конструкции автомобиля, и рассмотреть, как они обеспечивают безопасность.

Чтобы выполнить проект я поставил перед собой следующие задачи:

-выяснить, как будет связана физика, с безопасностью легкового автомобиля.

-выяснить, как конструкция  автомобиля, осуществляет безопасность легкового автомобиля.

-исследовать и показать неразрывную связь физики с обеспечением безопасности дорожного движения.

Актуальность и практическая значимость работы

 Я считаю, что этот проект является актуальным для нашего времени, потому что  мы часто становимся свидетелями, а иногда и участниками ДТП. В чём их причина? Можно ли их учесть? Можно ли сделать безопасным дорожное движение? Все эти вопросы являются актуальными в наше время. Многие факторы дорожной безопасности легко объяснить с точки зрения физики. Результаты работы можно использовать на уроках физики и во внеурочной деятельности.

Объект исследования – современный легковой автомобиль.

Предмет исследования – конструкция автомобиля как техническое воплощение физических явлений.

Глава 1.

Проблемы обеспечения безопасности и организации движения автотранспорта в современных условиях.

1.1 История создания первых машин

Автомобиль является одним из величайших изобретений человечества, которое имело и до сих пор имеет большое значение для человека. На сегодняшний день значение автомобиля ощущается не только в транспортной отрасли, но и во всех сферах человеческой жизни. Он стал ощутимым воплощением технического прогресса, преобразил облик планеты. Слово автомобиль в переводе с греческого означает ( autos сам и лат. mobilis двигающийся) «самодвижущийся». Предшественником автомобиля с бензиновым двигателем был паромобиль, точнее паровая телега, которую смастерил французский изобретатель Ж. Кюньо в 1769 году. Громоздкая машина двигалась со скоростью 2-4 км в час и могла перевозить до трех тонн груза. Для преодоления большого расстояния необходимо было делать остановки через каждые 15 минут для розжига топки, т. к. быстро падало давление в котле, кроме того, машина была плохо управляема, часто наезжала на дома и заборы.

Уже в 1803 году Тривайтиком был создан в Великобритании первый паровой автомобиль. Задние колеса машины имели 2,5 метра в диаметре, между ними и задней частью рамы был помещен котел, который обслуживал кочегар, стоявший на запятках. Водитель сидел на высоком облучке. Кузов машины был подвешен на высоких рессорах. Машина вмещала в себя до десяти пассажиров и развивала скорость до 15 км в час, что было величайшим достижением для того времени.

Автомобиль с бензиновым двигателем появился в 1864 году. Его изобрел австриец Зигфрид Маркус, что послужило мощным толчком для дальнейшего создания и развития транспортной техники. Ему удалось создать двухтактный бензиновый двигатель с электрической системой зажигания, который был установлен на повозку. Работая в этом направлении, Маркус создает в 1875 году более совершенную машину.

На сегодняшний день автомобиль является самым распространенным средством механического транспорта во всем мире, насчитывается сотни миллионов автомобилей, и это число растет в геометрической прогрессии.

1.2 Влияние дорожных условий на безопасность движения

Около 8 % дорожно-транспортных происшествий связано с дорожными условиями, наиболее важными из которых являются скользкость и ровность дороги. Скользкость может быть вызвана разными причинами. Дорога может быть скользкой от воды, снега или из-за особенностей дорожной одежды. При ухудшении дорожных условий, вызванных изменением погоды, уменьшается количество ДТП с тяжелыми последствиями, но увеличивается количество мелких.

Аналогичное влияние на безопасность движения оказывают неровности. С одной стороны, увеличение неровностей способствует колебаниям автомобиля; при большой скорости возможен отрыв колес от дороги; при объезде препятствия возможно опрокидывание. С другой стороны, на неровной дороге водители снижают скорость движения, а значит, и опасность. Поэтому при движении машины важное значение играет сила трения.

         Машины едут по дороге из-за возникновения силы трения между поверхностью автомобильных шин и покрытием дороги. Трение, возникающее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэффициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля.

Есть классическая формула в физике F =µN =µmg, которая связывает прямо пропорциональную зависимость силы трения от коэффициента сцепления контактирующих областей и прижимной силы. N равна произведению массы нагруженного колеса на ускорение свободного падения.  Конечно распределение веса на переднюю ось будет больше при торможении, но эта классическая формула дает возможность понять какие факторы рассматриваются производителями шин, чтобы обеспечить безопасность автомобиля.

 Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния рисунка протектора шины, давления воздуха в шине. Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначительном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места сопровождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверхность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скользкой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы рисунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Рисунок протектора колеса играет важную роль в определении трения или сопротивления скольжению. В сухих условиях на дорогах с твердым покрытием гладкая шина дает лучшую тягу, чем рифленый или узорчатый протектор, потому что имеется большая площадь контакта для создания сил трения. Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает настолько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

От трения зависит тормозной путь автомобиля. И часто юные водители, пешеходы не «рассчитывают» путь, который автомобиль проходит до полной остановки при торможении. Тормозной путь автомобиля – расстояние, проходимое автомобилем с момента действия тормозной системы в полную силу до остановки автомобиля.

Так от чего же зависит тормозной путь автомобиля?

Движение транспорта по дороге описывают с помощью законов сохранения. Чем больше масса автомобиля, чем больше его скорость – тем больше его импульс, его кинетическая энергия, которая может быть потрачена на работу по деформации тел. Страшным наглядным подтверждением тому является деформация автомобилей при ДТП.

Применим теорему о кинетической энергии для нашего случая: изменение кинетической энергии автомобиля равно работе всех сил, действующих на него.

На языке формул это выглядит так:

В случае торможения автомобиля, теорема запишется в виде:

В процессе торможения на автомобиль действуют сила тяжести, сила реакции опоры и сила трения. Сила тяжести и сила реакции опоры действуют перпендикулярно перемещению, поэтому их работа равна нулю. Это означает, что суммарная работа всех сил равна работе силы трения скольжения. Тормозной путь автомобиля пропорционален квадрату скорости. Это следует из самого обычного уравнения равноускоренного (равнозамедленного) движения:

Допустим, что после того, как Вы нажали на педаль тормоза, торможение автомобиля происходит равнозамедленно, с каким-то постоянным, равным по величине замедлением (отрицательным ускорением) a. Тогда тормозной путь автомобиля с начала момента торможения составит:

Учитывая, что конечная скорость автомобиля равна 0:

Соответственно, получаем

Но необходимо помнить, что время торможения будет всегда положительным числом,  при замедлении движения величина a всегда отрицательная:

И, соответственно:

То есть тормозной путь при всех прочих одинаковых параметрах торможения машины действительно пропорционален квадрату начальной скорости, то есть скорости, с которой автомобиль начал торможение. 

На практике принято использовать полученное уравнение в виде:

полагая, что на самом деле в уравнении используется не собственно ускорение a, а его модуль |a|. Поэтому более правильной с точки зрения математики была бы запись:

В основе расчета тормозного пути лежит второй закон Ньютона. Так как при торможении на автомобиль действует сила трения скольжения, поэтому: µmg = ma, откуда а = µg. Путь до полной остановки рассчитывается по формуле: S = v2/2a, поэтому основной тормозной путь автомобиля можно определить по формуле:

                                        S = v ²/2gµ,

где:

S -    тормозной путь в метрах;

v - скорость движения автомобиля в момент начала торможения в м/сек;

g -    ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с2; 

µ -    коэффициент сцепления шин с дорогой.

Из формулы мы видим, что тормозной путь от массы автомобиля не зависит. Хотя не стоит забывать о таком физическом явлении как инерция. Когда внешние воздействия на тело отсутствуют или взаимно уравновешиваются, инерция проявляется в том, что тело сохраняет неизменным состояние своего движения или покоя по отношению к так называемой системе отсчёта. Если же на тело действует неуравновешенная система сил, то инерция сказывается в том, что изменение скоростей точек тела происходит постепенно, а не мгновенно; при этом скорость изменяется тем медленнее, чем больше масса тела.

Я провел теоретический расчет тормозного пути для автомобиля и чтобы подтвердить соответствие данной закономерности на практике, провел эксперимент по определению тормозного пути велосипеда с помощью рулетки и секундомера.

Лабораторная работа: Определение тормозного пути.

Цель: Определить тормозной путь и его зависимость от таких факторов, как скорость движущегося транспорта и коэффициент сцепления шин с дорогой.

Коэффициенты сцепления шин взяты из ГОСТ 50597-93 (среднее значение).

При расчете были получены следующие данные (см. таблицу №1)

Таблица №1

Вывод: коэффициент сцепления с дорогой зависит от погодных условий. Чем хуже дорога, тем ниже будет коэффициент и длиннее тормозной путь.

Эксперимент был проведен в двух погодных условиях - хорошая сухая и  с ледяным покрытием дороги.

Порядок выполнения работы

1. Был выбран и рассчитан удобный маршрут движения велосипеда расстоянием 1 километр.

2. С помощью секундомера замерялось время движения велосипеда по данному маршруту.

3. По формуле V = S/t, где V – скорость движения, S – расстояние (равное 1 км), t – время в пути (замеренное с помощью секундомера).

4. Набрав равномерную скорость (3 раза), в момент достижения отметки в 1 километр я нажимал на тормоз и с помощью рулетки измерял тормозной путь.

5. Данные действия были проведены в хорошую сухую погоду и в гололед, то есть с ледяным покрытием дороги.

Результаты своего эксперимента я записал в таблицу № 2.

Таблица № 2

Анализируя данные можно сделать вывод, что при увеличении скорости движения велосипеда и ухудшении погодных условий сохраняется зависимость, установленная ранее по теории, а именно, тормозной путь неизменно увеличивается.

Значит, первое правило, которое необходимо неукоснительно соблюдать – это: «Не перебегайте дорогу перед близко идущей машиной!» Оказывается, это не пустые слова. По законам физики, автомобиль не может остановиться мгновенно, даже если водитель нажмёт на тормоза изо всех сил.

1.3 Требования к водителю

Водителю машины предъявляют особые требования исходя из анализа их деятельности. Водитель должен воспринимать большие объемы информации о характере и режиме движения всех участников, о состоянии дороги, окружающей среды,  средствах регулирования, о состоянии узлов и агрегатов автомобиля. Кроме того, он должен эту информацию проанализировать и принять соответствующее решение, на что отводится ограниченное количество времени. Иногда возникает необходимость остановить автомобиль как можно скорее: например, неожиданно вышел на дорогу пешеход, и водитель должен принять правильное решение в доли секунды. Стоит задуматься над тем, на что человек тратит время в такой стрессовый момент и как минимизировать эти потери. Не мало важную роль играет  реакция водителя. Время физического отклика у большинства людей за рулём одинаковое. Тем не менее, значительные индивидуальные различия касаются длительности психологического ответа. Этот период может варьироваться от 0,3 до 1,7 сек., причём последнее относится к опытным автомобилистам.

Лабораторная работа: Определение времени реакции человека.
Цель:  Определить время реакции человека.

Оборудование: Ученическая линейка.

Время реакции человека, это время за которое человек реагирует на какой-то сигнал, раздражение. Для определения реакции человека будем использовать падение линейки из состояния покоя, т.е начальная скорость равна нулю. Из формулы пути при движении в поле тяготения H=g·t2 /2, выразим время:

где H- высота падения, g- ускорение свободного падения- 9,8 м/с2, t- время реакции.

Порядок выполнения работы

1.Опыты проводятся в парах. Один держит линейку вертикально, другой устанавливает на расстоянии 1см большой и указательный пальцы на 0 уровне. Первый отпускает линейку, а второй ее ловит и записывает в таблицу результат. Эксперимент проводится 10 раз. Данные заносятся в таблицу.

2.Вычислите время падения линейки в каждом опыте по формуле. Данные занесите в таблицу.

3.Вычислите среднее время, воспользовавшись формулой. Значение запишите в таблицу.

Вывод:  среднее время моей реакции составила 0,305 секунд, что соответствует статистике.

1.4 Технические особенности строения машины.

Теперь остановимся на технических особенностях автомобилей. Стекло автомобиля — это важный элемент обеспечения пассивной безопасности автомобиля. Оно защищает водителя и пассажиров от посторонних предметов или просто камней, вылетающих из-под колес транспорта. Ветровое стекло также придает жесткость кузову. К стеклам автомобиля требования особые. Все из-за условий эксплуатации. Поэтому качественное стекло должно не только улучшать аэродинамические характеристики автомобиля, но и быть прочным, чтобы обеспечить безопасность водителя и пассажиров. Чтобы сделать стекло, которое соответствует этим параметрам, применяется технология триплекс. Триплекс — это два и более листа стекла, склеенные между собой поливинилбутиральной пленкой. Такой способ производства не дает стеклу разлетаться на осколки при попадании в него какого-либо предмета. Что и обеспечивает безопасность при эксплуатации таких стекол.  

Ремень безопасности — средство пассивной безопасности водителя и пассажиров в автомобиле. Ремни безопасности являются эффективным средством для предотвращения и снижения тяжести дорожных происшествий. Согласно статистике применение ремней безопасности предотвращает смертельные повреждения в 75 случаях из 100. Ремень безопасности предназначен для удержания пассажира на месте во время аварии, либо при экстренном торможении и предупреждает удары о части салона или вылет пассажиров за его пределы Согласно исследованиям, применение ремней безопасности снижает риск гибели при ДТП водителя и пассажиров переднего сидения на 40-50%, а пассажиров заднего сидения – на 25%. Примерно такое же снижение касается тяжёлых травм в результате ДТП. 70% спасений в критичных авариях обеспечивают именно ремни (для сравнения: подушки безопасности – 20%). Что касается ситуации переворачивания автомобиля при ДТП – ремни позволяют избежать ударов о внутренние части автомобиля, фиксируя положение пассажиров. Подушкой безопасности называется специальный элемент пассивной системы безопасности автомобиля, который призван минимизировать последствия во время аварий для водителя и пассажиров, находящихся в транспортном средстве. Официальная аббревиатура подушки безопасности на всех современных транспортных средствах идет в виде символов SRS, что при расшифровке означает Supplemental Restraint System. Сама по себе подушка безопасности оснащена эластичной внешней оболочкой, которая наполняется воздухом или газом при срабатывании. Данный элемент системы безопасности автомобиля призван смягчать удар в случае столкновения машины с любым препятствием. Также стоит помнить, что подушки используются в совокупности с ремнями безопасности и не как иначе. Пневматические подушки являются дополнением ремней безопасности и зачастую предотвращают перелом шейных позвонков, посредством возвращения головы человека обратно в подголовник, что обеспечивает сохранение шеи в прямом положении. Вот поэтому автомобили, оснащенные передними подушками безопасности.

Подголовники как часть конструкции автокресла, призвано оберегать позвоночники пассажиров в момент аварии. Многочисленные исследования выявили, что это устройство помогает минимизировать вероятность травмы шеи вследствие резкого сгибания-разгибания, это происходит при авариях, где удар приходится в заднюю часть авто. Подголовники могут быть как продолжением спинки сидения, а могут быть отдельной подушкой. Первый вариант встречается в основном в спортивных авто, вторые это более массовый вариант. Кроме того, они делятся на неподвижные и активные. Исходя из названия,  можно понять, что они различаются принципом работы. Активные ставят в основном на дорогие авто, в более дешевых комплектациях это идет как дополнительная опция. В чем принцип? При ударе в заднюю часть машины, тело водителя по инерции летит вперед, а потом резко назад, шейный отдел подвергается колоссальной нагрузке. Ине́рция  (от лат. inertia —покой,  бездеятельность, постоянство, неизменность) — это свойство тела оставаться в некоторых системах отсчёта в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения в отсутствие внешних воздействий, а также препятствовать изменению своей скорости (как по модулю, так и по направлению) при наличии внешних сил за счёт своей инертной массы. Активный подголовник в отличие от неподвижного в момент столкновения «подхватывает» голову и удерживает ее в безопасном положении. К элементам пассивной безопасности относится и сама конструкция кабины, бампера и прочих деталей. Так, переднюю и заднюю части автомобиля делают более мягкими по сравнению с серединой. Это необходимо для того, чтобы при столкновении эти части смягчили удар, снизив инерционную нагрузку, а более жесткая середина защитила водителя и пассажиров. Также с целью повышения безопасности двигатель автомобиля помещается на рычажной подвеске, которая опускает его вниз, под кузов. Тогда при попадании в ДТП двигатель не переместится в салон и не повредит находящимся внутри людям.

Глава 2. Практическая часть

По результатам работы я подготовил памятку для водителей, где прописал законы, основанные на физических явлениях.

1. Запрет на использование шин не по сезону.

2. Соблюдение скоростного режима.

3. При движении, нужно соблюдать дистанцию, заранее готовиться к маневрам.

4. Водитель должен всегда быть максимально внимательным, за рулем нельзя отвлекаться,  использовать мобильные телефоны и прочие гаджеты.

5. Обязательно пристегиваться во время движения и требуйте это от пассажиров! 

6. Управляя транспортным средством, обращайте внимание на погодные условия и состояние дорожного полотна! 

7. Не забывайте, что в ваших руках не только ваша жизнь, но и жизнь других людей! 

Заключение

Культура дорожного движения формируется годами, поэтому начинать воспитывать законопослушного участника дорожного движения нужно с рождения. Антон Павлович Чехов сказал: "Солнце не всходит два раза в день, а жизнь не дается дважды!" Изучая законы физики, мы находим им применение на практике. Механика является той областью физики, с которой мы чаще, чем с другими, встречаемся в жизни. Каждый из нас является участником дорожного движения. Законы движения надо знать и помнить всем: и водителям, и пешеходам. К сожалению, полностью избежать случаев дорожно-транспортных происшествий невозможно.  Каждый водитель должен быть нацеленным на предупреждение причин возникновения дорожно-транспортных происшествий, снижения тяжести их последствий. 

Список интернет ресурсов 

1. Памятка водителя. Date Views 21.05.2021 www.multiurok.ru/files/prezentatsiia-pamiatka-peshekhoda.html.

2. Обеспечение безопасности движения в транспортном процессе. Date Views 21.05.2021 www.revolution.allbest.ru/life/00667526_0.

3. Безопасность дорожного движения. Date Views 21.05.2021 www.gross.lv/ru/teoriya/bezopasnost-dorozhnogo-dvizheniya.

4. Физика движения. Date Views 21.05.2021 www.plam.ru/transportavi/noveishii_samouchitel_bezopasnogo_vozhdenija/p8.php.

5. Физика автомобиля. Date Views 21.05.2021 www.press.ocenin.ru/category/fizika-avtomobilya/.